基于６自由度机械臂的景像匹配半实物仿真系统，由仿真计算子系统、６自由度机械臂子系统、摄像子系统和大屏幕投影子系统等硬件系统，以及景像基准图数据库、景像匹配软件、匹配区选取及航迹规划软件和机械臂运动模型模拟飞行姿态的相关软件组成。使用６自由度机械臂、摄像机、大屏幕投影和机械臂运动模型来模拟景像匹配的实际工作过程，仿真计算机采用普通的ＰＣ机，匹配区选取和航迹规划软件生成匹配区数据和轨迹数据，系统的动态特性利用机械臂运动模型和大屏幕投影来完成，系统主要误差（光照和烟雾）通过控制日光灯的开／关和施放烟雾来模拟，在仿真计算机中完成对实时图像的采集、机械臂的控制、投影速度的控制和匹配计算，完成景像匹配半实物仿真系统。本系统真实模拟了景像匹配的实际工作过程和误差，实验结果对景像匹配工程样机的研制及其应用具有重要意义，可替代实际研发过程中的试飞实验过程，极大地提高了研制效率，降低了研制成本，具有重大的经济价值和推广价值。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种半实物仿真系统，特别是一种基于6自由度机械臂的景像匹配半实 物仿真系统，完成景像匹配导航定位系统的半实物仿真，适用于地球物理场导航系统(包 括地形辅助导航系统)研究。技术背景导航技术已被广泛应用到军民用领域中，如航空、航天、医学、交通运输、机器人等等。 在导航技术的理论研究、系统设计及实际应用的过程中，系统仿真是必备的环节。仿真技术 具有很高的科学价值，且可节约研发成本，其中半实物仿真技术具有承上启下的特点，是从 理论研究到实际应用的一个过渡过程。在导航系统的研制过程中，半实物仿真是仅次于飞行 实验的权威实验鉴定方法。在飞行器导航系统设计、定型过程中，都要依靠仿真实验，进行 修改和完善。由于现代战争对飞行器的可靠性和精确制导武器的命中精度提出了更高的要求。单 纯依靠惯导系统很难满足要求，因此必须引入其它的导航系统来提高系统的精度和可靠 性，其中具有自主性的景像匹配(Scene Matching, SM)技术是常用技术之一。欧美等先进国家早已使用景像匹配技术取得了巨大的经济和军事效益。从海湾战争、科索沃战 争和伊拉克战争中可以看出景像匹配技术可以大大提高精确制导武器的命中精度、战术 飞机的精确定位和精确对地攻击精度以及无人侦察飞机的精确导航与定位精度。此外， 景像匹配技术还被用于实现太空船精密着陆。在民用方面，景像匹配导航技术也可以带 来巨大的经济效益，移动机器人导航和智能车辆导航也都需要景像匹配技术。在当前的 严峻形式下，特别是在北斗卫星导航系统尚未建成的情况下，我国应大力发展景像匹配 技术，以提高我国军用飞机的导航定位精度和精确对地攻击精度。现在国内已将景像匹配技术成功用于精确制导武器上，但是以多次试飞实验为代价的， 1次试飞实验的成本约200万人民币，且研发和实验周期很长。为加快景像匹配技术在航空、 航天等领域的应用，降低研发成本，縮短研发周期，采用景像匹配半实物仿真系统模拟实际 的试飞环境进行实验具有重要意义。本专利技术采用6自由度机械臂、大屏幕投影、摄像机、灯 光和烟雾施放、景像匹配基准图数据库以及软件相结合的方法实现景像匹配半实物仿真，可 以进行实时动态的模拟。
技术实现思路
现有景像匹配研究技术的不足之处在于①纯计算机仿真，不能模拟真实的飞行状 态和飞行环境，试飞实验成本高。②采用沙盘的景像匹配半实物仿真系统，沙盘更换周 期长，费用高，且占空间。本专利技术要解决的技术问题是克服现有研究景像匹配技术的不足，提供一种数字化 程度高、可扩展性强，且能够模拟景像匹配真实工作过程的半实物仿真系统——基于6 自由度机械臂的景像匹配半实物仿真系统。本专利技术采用的技术方案是基于6自由度机械臂的景像匹配半实物仿真系统，其特 征在于由仿真计算子系统l、仿真计算子系统2、景像基准图数据库、6自由度机械臂 子系统、摄像^^系统和大屏幕投影子系统组成。基于6自由度机械臂的桌像匹配半实物 仿真系统的工作方法，其特征在于仿真计算子系统l调入景像基准图数据库中的景像 基准图，并利用匹配区选取和航迹规划软件生成匹配区数据和航迹数据，包括航迹的位 置、匹配区的大小、匹配区的位置和基准图分辨率数据；摄像子系统中的CCD相机和6 自由度机械臂子系统中机械臂的T轴固联；仿真计算子系统1根据机械臂运动模型控制6自由度机械臂子系统中的机械臂运动，并带动摄像子系统中的CCD相机一起运动，并 实时釆集机械臂的运动信息，包括位置和姿态数据，以及实时图像数据；仿真计算子系 统2根据匹配区数据、航迹数据以及仿真计算子系统1设定的载体运动速度控制大屏幕 投影子系统中基准图的播放速度；摄像子系统中的CCD相机采集大屏幕投影子系统中屏 幕上的基准图像数据；仿真计算子系统l根据系统逻辑对其它子系统进行时空同步处理， 并完成人机交互、景像匹配计算以及结果显示和输出；通过控制实验室内的日光灯的开 /关以及施放烟雾来模拟飞行环境。利用6自由度机械臂的运动模拟飞行器的真实运动状态，利用大屏幕投放基准 像并控制图像的运动模拟飞行器的相对运动，利用摄像机拍摄屏幕上运动的图像，并通 过控制灯的开/关和施放烟雾模拟真实的飞行条件，得到叠加了各种噪声的实时图数据， 并利用仿真计算子系统进行匹配计算，完成景像匹配半实物仿真系统。本专利技术能够取得如下技术效果①采用6自由度机械臂、大屏幕投影、摄像机、景 像基准图数据库和灯光及烟雾模拟景像匹配系统，具有真实误差特性；②利用匹配区选 取和航迹规划软件生成匹配区数据和任意航迹数据，不需进行飞行器搭载，实现景像匹 配半实物系统；③能按预先轨迹和特定基准图像，完成景像匹配半实物系统实时动态模 拟，而且可通过更换景像基准图数据库中的基准图实现任意地区的景像匹配半实物仿 真，具有很强的通用性和扩展性； 实现的景像匹配半实物仿真系统结构简单且成本较 低。附图说明图1为本专利技术的基于6自由度机械臂的景像匹配半实物仿真系统结构示意图；图2为本专利技术的6自由度机械臂子系统的组成结构图；图3为本专利技术的摄像机子系统的组成结构图；图4为本专利技术的大屏幕投影子系统的组成结构图；图5为本专利技术的基于6自由度机械臂的景像匹配半实物仿真原理图；图6为本专利技术的基于6自由度机械臂的景像匹配半实物仿真系统软件的结构图；图7为本专利技术的利用6自由度机械臂模拟飞行器运动的几何模型；图8为本专利技术的基于6自由度机械臂景像匹配半实物仿真系统的工作流程图。图中标号及符号说明如下 0—一镜头作圆锥运动的圆周角； Z—一镜头焦点与屏幕中心点的垂直距离； R——为圆锥运动在屏幕上产生圆轨迹的半径； a—一模拟飞行的偏航角； P——模拟飞行的俯仰角。具体实施方式如图1和图5所示，本专利技术由仿真计算子系统1 (1)和仿真计算子系统2 (2)、 景像基准图数据库(3) 、 6自由度机械臂子系统(4)、摄像子系统(5)和大屏幕投影 子系统(6)组成，仿真计算子系统1 (1)调入景像基准图数据库(3)中的景像基准图， 并利用匹配区选取和航迹规划软件生成匹配区数据和航迹数据，包括航迹的位置、匹配 区的大小、匹配区的位置和基准图分辨率数据，通过网络将这些数据及飞行器飞行速度(通过人机界面设定)发送给仿真计算子系统2 (2)，仿真计算子系统2 (2)控制景 像基准图的滚动速度，并投影到大屏幕上，仿真计算子系统l (1)根据机械臂运动模型(如图7所示)控制机械臂(10)运动，制机械臂(10)带动CCD摄像机(12)运动， 并分别通过控制柜(7)和图像采集卡(13)将机械臂的运动信息和实时图像信息采集 仿真计算子系统l (1)中，进而完成匹配计算、结果显示和输出。如图6所示，半实物仿真系统的软件采用了模块化设计思想，包括界面模块、软 件主控模块、I/O模块、匹配算法模块、界面资源模块、和硬件资源模块。界面模块和 界面资源模块完成用户界面功能实现，包括一些对话框和绘图功能软件主控模块主要 控制软件的流程，包括用户交互逻辑控制及判断、各模块接口控制、数据交互及数据有 效验证、数据处理流程、结果实时显示及保存等，并通过对话框面板接收系统和用户消 息，对用户指令进行响应，完成仿真流程控制；I/O模块包括BMP/JPEG图像处理库和 INI文件处理模块，主要根据用户设置加载数据库中相应图像等数据资源，并按本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于６自由度机械臂的景像匹配半实物仿真系统，其特征在于：由仿真计算子系统１（１）、仿真计算子系统２（２）、景像基准图数据库（３）、６自由度机械臂子系统（４）、摄像子系统（５）和大屏幕投影子系统（６）组成。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赵龙，李铁军，王永威，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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